An Evaluation of a High-resolution Hydrometeorological Modeling System for Prediction of a Cool-season Flood Event in a Coastal Mountainous Watershed Kenneth.

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1 An Evaluation of a High-resolution Hydrometeorological Modeling System for Prediction of a Cool-season Flood Event in a Coastal Mountainous Watershed Kenneth J. Westrick and Clifford F.Mass From JOURNAL OF HYDROMETEOROLOGY APRIL VOLUME 2 報告：陳心穎

2 此研究的特別目的 1.決定系統在預報沿岸山脈流域的單一冷季洪水事件的能力。 2.評估大氣模式在不同水平網格對各種氣象場，以及隨後
河流的模擬的重要性。 3.確認模擬的缺點以及讓模擬產生誤差的敏感氣象因子。

3 Rain On Snow 洪水事件 Rain on snow 在低海拔山區也有下雪增加的異常現象，發生
在加拿大、格林蘭、挪威、瑞典、丹麥及西伯利亞等國家。 由於積雪不易因下雨而溶化，所以北極草食性動物陸續死亡 ，當暖鋒過境，地面溫度上升，就會融雪成災。 Mr:融化量(inches) Tr:雨的溫度(F) Pr:降雨量(inches) 也就是說，48F的雨水需要10 inches 才可以溶化1 inch 的雪。 from

4 地理特性的描述 位置：Snoqualmie River 流域 特徵：面積1560 km2 WSR-88D 西邊 低海拔 東邊 中高海拔
約佔1/ 佔2/3 西邊 低海拔 東邊 中高海拔 大部分沒有樹林 有一些針葉林散佈 WSR-88D

5 模式設定的描述 大氣模式：MM5 水文模式 :DHSVM (The Distribution Hydrology-Soil- Vegetation Model) 模式介面 水文模式初始化

6 大氣模式：MM5 網格大小分別為36，12及4 km 32層高度 間隔6小時輸出一筆資料
1. simple-ice,explicit-microphysics scheme 2. Blackadar high-resolution PBL scheme 3. Kain-Fritsch cumulus parameterization 在36及12km 假設4km可以解析到對流 4. Longwave and shortwave radiation scheme 則是計算 大氣、雲、降水場及地面的交互影響

7 大氣模式：MM5

8 大氣模式：MM5

9 水文模式 :DHSVM (The Distribution Hydrology-Soil- Vegetation Model)
適用於複雜地形的水文分布模式。 明白的說明地表過程的空間分布。 包括植物上層及地被層的效應。 植物的蒸發散量是用Penman-Monteith approach計算。 太陽輻射及風速的減弱是由於遮蔽物的效應(根據 植物覆蓋密度及葉面指數) 雪的分布是用線性變化，氣溫小於攝氏-0.5度時是下雪，氣溫大於攝氏1.0度時是下雨。 模式是在100公尺的水平空間，包含9種土壤及19種植被類型。

10 模式介面 DHSVM需要八種氣象場，有氣溫、溼度、風速、伴隨的短波 輻射及長波輻射、地表氣壓(利用雙拋物線內插方式)、降
水場(利用Gressman 方法內插)。 在邊界層溫度跟地表的關係是用MM5的資料，而且不考慮水文 模式的回饋作用

11 水文模式初始化 根據Miller and Kim 1996的研究顯示多年初始化的重要 1996 7/1的初始資料
是用兩年(1989/90)的觀測資料(Stampede Pass)作統計 平均得來。 1996 7/1~ /28的初始資料 是用Stampede Pass氣象觀測站及North Bend自動觀測 系統資料來模擬，預報出的流量是觀測的77%，流域雪 水當量(SWE)低，所以將降水量乘1.3。 現在為了使觀測資料在更高的比例，所以用雪水遙測 (SNOTEL)及更多的觀測站來提高。

12 案例概述 1.時間是從 / UTC~1997 1/ UTC。 2.此事件剛開始時，整個流域都有積雪現象，這在低海拔區 是不正常現象(Rain On Snow)。 3.此時間有兩個天氣系統經過

13 模式評估 綜觀尺度的發展 低層風 氣溫 降水 雪水當量 河川流量

14 敏感度模擬 雨量站─增加降水 減少風速 對流降水的修正 觀測─直接提供給水文模式模擬(沒有經MM5)

15 雨量站─增加降水 1.因為豪雨與最大流量有延遲約數小時至幾天，是跟流域面 積大小相關，為了達到正確的雨量空間分布，要先決定降
水增強率(Precipitation Enhancement Ratio,PER)。 2.任何時間的PER是用六小時範圍，做空間內插(橢圓權重方 法)到水文模式的網格點上，延伸到700hpa。 3.修正結果

16 平均雨量比原來模擬增加了21%，從205~247，而總流量達觀測值的90%

17 1.gauge enh 的流量最大值到達628，是觀測值的80%，
2.wsp redux(風速)─包含前面的改善，箭頭2是低海拔，有融雪，而高海拔沒有融雪甚至到低海拔完全溶化，都未融雪。 3.comp conv─

18 減少風速 由於融雪是因為風速大的原因，於是要降低模擬出的風速， 因為模擬出的風速平均大於30%的觀測值，所以降低30%。
改善之後，North Bend的雪水當量從原觀測值的24%→72% 然而，在地形高低也有影響，如圖

19 對流降水的修正 在第二個暖鋒經過的期間，降雨 率的估計範圍(用Z-R關係， )是從15 mm/h 到 75 mm/h，作出的降雨量是下圖
雷達觀測是在1997 1/ UTC

20 0500 UTC~0800 UTC 是MM5沒有模擬出的大降雨量

21 Obs1:是用Snoqualmie Pass 和Snoqualmie Falls的觀測雨量來模擬
Obs2:是用Snoqualmie Pass 和North Bend的觀測雨量來模擬 52%

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23 討論 雖然在132小時的模擬沒有得到主要洪水，但是確實表現了一些複雜的氣象跟水文因子。
整個模擬得到93%的總流量，也得到大於82%的最大流量，但是有四小時的誤差。 在第一個暖鋒事件，網格4km、12km及36km分別模擬到97%、106%及83%的流量，雖然值看起來很接近，那是因為快速融雪剛好彌補模擬降水不足。

24 第二個暖鋒事件，得到52%(36km)至62%(4km)流量，正確的MM5預報降水量，應該會得到80%最大流量，總流量會達到90%。後來用雷達估計的降水來模擬一個對流線效應，增加最大流量到82%，總流量到93%。 兩個敏感度模擬，分別用兩組的測站資料直接提供給水文模式模擬，剛好在對流線上的測站得到的最大流量是53%，總流量是62%。僅離八公里處的測站資料模擬出的最大流量是42%，總流量是35%。 雖然平均降水量和MM5模擬的差不多，但是因為氣溫資料給的不充足，所以導致降雪比降雨多，然而流量相對減少。

25 報告完畢

26 第一個天氣系統經過此區的時間是12/29-12/30，圖a是12/29 1200 UTC 的地面分析，暖鋒延伸到華盛頓跟奧勒岡的沿岸及邊境，此時再下一張圖有雷達顯示。
B圖，12/31經過，很強的地面氣壓。

27 很強的東風流，在剖風儀的位置…..下一張 有很強的東風流

28 約850hpa 在1500公尺的高度也就是大約850hpa處，可以看到 12/ UTC~1100 UTC 風向由東風轉南風

29 可以看出再第一個天氣系統時溫度升高約6-10度，開始有降雪是12/ utc 當鋒面接近時，當鋒面通過時是過冷水，在鋒面後是降雨。從c圖可以看出在整個暖鋒事件中由80-120。融雪是在12/ UTC到1/1 1200UTC(North Bend) 第二個系統有降水是從1/1 0000utc 持續增加，雷達顯示有很強的層狀降水伴隨對流降水在鋒面上，風向的變化是由東風轉為南風，氣壓上升，溫度也增強大約3度。 最高的良量是出現在1/2 1200utc 320 80

30 1. 因為模擬12/28 0000 UTC~12/30 0000 UTC的初始地表溫度
是用Eta 104網格內插，平均攝氏12度對於山脊以東太溫暖， 所以用Kelowna的雷達資料，因為在850hpa有空氣延伸過來， 導致模擬12小時時，在山的東側地面溫度低於攝氏6度。 2. 模擬風的變化在0700 ~1000 UTC，表示鋒面移動比實際快1 ~2小時，但是地面比實際快4~7小時通過華盛頓西部。

31 由上圖看出(North Bend)接近山區風速的模擬比實際高1. 8 m/s。在Stampede Pass則是高2
由上圖看出(North Bend)接近山區風速的模擬比實際高1.8 m/s。在Stampede Pass則是高2.6 m/s ,西半部是 m/s。

32 變溫暖提早6小時。在a,b圖上有很好的模擬。而在其他的35個測站都顯示高解析度有較好的模擬。可以得到來自東方的冷空氣流。

33 在所有的低區及所有解析度都低估雨量。A,b,c圖是與未加工的雨量站資料作比較。

34 南北平均降水量離山脊距離關係圖 A圖…總雨量
b圖……箭頭1指的…4公里網格的降雨最重要的多雨區，雖然比12及36公里多，但是還是比觀測的少，其實應該在40公里處，卻只在30公里處

35 上圖，因為風速偏快加上溫度偏高，導致模式的積雪快速溶化，尤其在較低且沒有樹林處。在低處(4公里)模式在12/ UTC完全融化。觀測是在12/ UTC才完全溶化。觀測值較高是因為觀測的地方是在空曠的地方，沒有攔截效應。

36 南北平均降水量離山脊距離關係圖 在Canation 站的流量 493 62%
從上圖可以看出4公里有很多的降雨量，但是從流量來看卻沒有比較大的流量，這很可能是因為他模擬的是雪…..所以沒有變勁流。第二個可能是因為中高處有值被。第三個原因是在較初網格有很高的風速及高溫所以快速融雪造成較大的逕流。